钛合金薄壁腰形深窄槽数控铣削加工方法

01序言钛合金强度高、密度小、耐热性好，同时还具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能，是航空发动机风扇、压气机、轮盘和叶片等重要零部件的首选材料。钛合金材料的切削加工性能只有普通钢的20%～30%[1]，是一种典型的难切削材料。一种新型钛合金航空发动机薄壁复杂扩压器机匣需要加工16个宽约9.2mm、深54.5mm、弧长约80mm的深槽（见图1），相邻两处腰形槽最小壁厚约2.2mm。鉴于深窄槽结构的特殊性，加工时只能选用直径小、悬伸长的铣刀，切削加工时易产生振刀、崩刃现象，同时刀尖冷却效果差、排屑难，切削温度高，产生让刀和表面加工硬化现象，存在切削效率低、刀具寿命短以及尺寸难以加工合格等问题，是目前加工制造中的难题之一。

图1

薄壁扩压器深槽结构示意02工艺方案试验腰形深窄槽数量多，材料去除量大，加工时须保证较高的加工效率，经过分析，排除摆线铣和动态铣加工方案，制定了插铣法和分层铣削法两种主要加工方案，两种方案都先采用φ8mm钻头钻通，然后用φ8mm合金铣刀进行铣削，根据铣削方式、切削参数的不同，分别进行工艺试验。2.1

插铣法试验插铣法，又称为Z轴铣削法，是实现高切除率金属切削的最有效加工方法之一。其加工原理是：刀具沿轴向连续地上下进刀，主要作用力为轴向切削力，大大降低了作用于机床的径向切削力，即使刀具悬伸长度较大，仍具有较高的加工刚性，能够减小零件变形，保证加工稳定性[2]。插铣法的加工效率远高于常规的端面铣削方法。试验中虽然缺少专用的插铣刀，但是鉴于插铣法在深槽加工方面的优势，采用普通合金铣刀对腰形槽进行了插铣加工工艺试验，其切削参数和试验效果见表1。

表1

插铣切削参数和试验效果

分析表1可知，切削宽度较大时，效率高，但加工振动大，刀具易崩断；减小切削宽度后，效率有所降低，刀具磨损较快，同时零件振动较大，存在一定的质量和安全隐患。

由于该零件为新型号研制件，工艺准备条件有限，本次工艺试验采用了组合夹具和普通铣刀，零件装夹刚度一般，且机匣最小壁厚仅为2.1mm，插铣过程中易振刀，同时普通合金铣刀插铣加工寿命低，最终导致了插铣加工试验效果不够理想。反之可以得出以下结论：当零件整体刚性好、专用夹具设计合理、装夹方式良好，以及专用插铣刀具寿命较高的前提下，采用插铣法可以实现钛合金腰形深窄槽的高效加工。

2.2

分层铣削法试验

针对钛合金薄壁腰形深窄槽的结构特点，决定采用常规的铣削方法进行分层铣削，铣削前使用φ8mm合金钻头在腰形圆弧两端处预钻φ8mm通孔，有助于铣刀加工时下刀和加工时排屑及刀具冷却。依据钛合金切削加工经验，线速度对刀具寿命影响最大，线速度越高，刀具磨损越快，因此对转速进行了小范围调整，分层铣削加工切削参数对试验效果的影响见表2。

表2

分层铣削加工切削参数对试验效果的影响

表2中，切削深度和进给速度的调整大致分为两类：大切削深度、小进给速度和小切削深度、大进给速度，表中第1、2项参数属于切削深度较大、进给速度较小的情况，刀具易崩断。第3、4项为切削深度小、进给速度较大的加工情况，这两种方案加工效率相对较低，但是刀具不崩刃，能够稳定地进行切削加工。第4项加工参数属于小切削深度、低转速、大进给速度的情况，刀具寿命较高，加工稳定性最好。

试验研究证明“小切削深度、低转速、大进给速度”的铣削方案加工钛合金薄壁腰形深窄槽具有较高的加工稳定性及加工效率，特别是新型号研制过程中，该铣削方案为加工同类深窄槽结构零件提供了一种解决问题的方向。

03分层铣削加工工艺方法研究从以上试验结果分析得出结论，采用“小切削深度、低转速、大进给速度”的分层铣削方式更适合该零件的深窄槽加工，但需要进一步对零件的加工工艺进行优化改进，以此来提高加工效率。

3.1

刀具的优化（1）刀具材料的选择在钛合金深窄槽铣削加工中，刀具的磨损首先与刀具材料选择有关。一般高速钢刀具耐热性差，切削刃口局部高温会加剧刀具磨损，使钛合金零件的加工精度难以保证，只能对钛合金进行低速粗加工。YG类硬质合金刀具与钛合金亲和力较小，更加适合钛合金切削加工，可优先选用具有更高硬度和耐热性的超细晶硬质合金铣刀和具有较长刀具寿命的涂层硬质合金铣刀，可有效提高加工效率和加工质量。（2）刀具结构的选择刀具的几何参数对钛合金加工表面质量起决定性作用，切削力大小、排屑效果、刃口强度和加工变形等都与刀具的几何参数有直接关系。在薄壁深窄槽的铣削加工中既要考虑刀齿有较大的容屑空间，又要考虑选用合理的齿数以提高加工效率，还要考虑整体硬质合金铣刀在悬伸过长、抗弯强度下降情况下，易产生振动和让刀，导致刀具磨损加快和断刀。基于以上因素，在本次腰形深窄槽加工方案中共选用了3把4齿不等距结构的整体硬质合金铣刀，2把铣刀用于粗铣加工，1把铣刀用于精铣加工，如图2所示。使用不等齿距刀具的好处在于它们能中断谐振，从而提高稳定性，这对于高径向切削宽度ae和大悬伸长度的切削加工特别有效。

图2

整体硬质合金铣刀

3.2

加工工艺优化（1）铣削方式的优化在腰形深窄槽的加工中，提高刀具强度、增加刀具刚性是提高刀具寿命和加工效率的重要途径，刀具刚性与切削用量成正比关系，增加刀具刚性能够大幅提高加工精度和加工效率，其方法如下。1）粗铣过程分为两个工步。优化后，首先采用一把φ8mm、悬伸45mm、切削刃长40mm的不等距整体硬质合金铣刀，粗铣加工深度为39mm；然后采用一把φ

8mm、刀具悬伸为65mm、切削刃长20mm的不等距整体硬质合金铣刀，完成39～56.5mm深度的加工。优化后两把刀在切削过程中的振动和刀具耐磨性明显优于切削试验时用的φ8mm、悬伸为65mm、切削刃长60mm的铣刀，刀具寿命由原来的0.5h提高至6h，由此可看出在相同刀具直径、结构和材料的情况下，可通过减小刀具长度和减小切削刃长来提高立铣刀的刚性。

2）第二次粗铣时适当减小槽宽编程尺寸，避免槽壁干涉。考虑到第1把粗铣刀加工时会出现让刀现象，且第2把粗铣刀切削时刃长只有20mm，不足最大铣削深度56.5mm，在加工时腰形槽侧壁与刀杆发生挤压干涉，导致打刀。因此编程时将第二把铣刀加工的槽宽尺寸相对第1把铣刀减少0.2mm，例如第1把铣刀加工槽宽的编程尺寸为9mm，那么第2把铣刀槽宽应按8.8mm编程，可避免刀杆与槽壁发生干涉；也可以第1把刀粗铣完后，在整个深度39mm上按槽宽9.1mm进行槽形轮廓半精铣，确保槽宽9.1mm加工到要求尺寸，再用第2把刀完成39～55mm深度的粗铣加工任务，最后用全刃长的3号刀按每层10mm的深度分层精铣至最终尺寸。

（2）加工程序优化利用宏程序减少空刀行程，切削效率可提升一倍。在深槽粗铣过程中，传统的分层程序（见图3）的走刀方式一般是每层切削深度为1mm，分层下刀走57次循环后将深槽铣通。由于槽宽约9mm，铣刀直径8mm，当刀具每层从左到右绕槽形轮廓的切削过程中，每次左边半粗铣时切削宽度为满刀ae=8mm，而在右边粗铣时切削宽度ae=1mm。槽左右走刀轨迹如图4所示，右半边粗铣时材料去除量只有左半边粗铣时的1/8，切削效能明显还有很大的提升空间。

图3

传统分层程序

图4

槽左右走刀轨迹

针对此加工情况可利用宏程序进行走刀策略优化（见图5），具体如下。

1）首先在腰形槽两端圆弧中心A点和B点处用φ8mm钻头将工件底部钻通。2）用φ8mm铣刀从A点下刀至（Z－1）mm，沿腰形槽左边圆弧逆时针方向走刀至B点圆弧处，圆弧加工完后从B点处退刀。3）从B点处下刀至（Z－2）mm，沿腰形槽右边圆弧逆时针方向走刀至A点圆弧处，圆弧加工完后再从A点处退刀。

图5

宏程序走刀策略优化

原编程方式绕槽形轮廓铣削一周加工深度为1mm，改进后绕腰形槽轮廓铣削一周的加工深度为2mm，原来需分层进刀循环57次，现只需分层进刀循环29次就可完成深槽粗铣加工，切削效率可提高一倍。改进后的加工程序具体如下。

%O2000(AJ1502000)(T1HJXD2B151-1567D=8.)……N3T1M6N4#1=-1.N5#2=1.N6#3=-56N9G0G90G54X40.653Y93.094S1000M3N10G43H1Z100.M08N11Z25.N12Z3.N13WHILE[#1GE#3]DO1；当深度≥－56mm时跳转到N38END1N14G1Z#1F50

；T1号刀从A点Z－1开始加工N15G41D1G64X40.314Y92.816F30；顺铣方式……N18G2X86.937Y51.395I-40.417J-92.552F200.N19G3X87.446Y51.105I.509J.301F26.；B点圆弧处降速加工……N24G1G40G60X87.446Y51.696F50.N25#1=#1-#2

；到达B点后Z值深度下降1mmN26G01Z#1F50.；从B点Z－2开始加工……N30G3X40.89Y93.636I-87.955J-51.997F200N31X40.653Y93.686I-.237J-.542F26.；A点圆弧处降速加工……N36G1G40G60X40.653Y93.094F50N37#1=#1-#2；到达B点后Z值深度再下降1mm，当

#1=－56时T1号刀完成加工N38END1N39G0Z100.N40M5N41M09N80M30

（3）加工细节的处理包括以下内容。1）顺铣、逆铣走刀方式的选择。数控机床采用的是滚珠丝杠传动，可以通过预紧方式消除工作台进给间隙。数控加工中在机床、夹具和工件允许的情况下，总是优先选择顺铣。在深窄槽的粗、精加工中也采用了顺铣切削方式，其优势有：在周边轮廓顺铣中，可防止切削刃在吃刀前产生磨损和擦伤深槽已加工表面；另外，不管是在切削力的大小控制、刀具寿命提高等方面，还是在加工表面质量和切削平稳性方面，只要不是带硬皮或不规则、夹杂的毛坯表面，顺铣就都优于逆铣。在数控程序编制中，选择了G41刀具半径左补偿方式，也就相当于选择顺铣方式，其顺铣、逆铣走刀判断如图6所示。

a）腰形槽顺铣走刀路径

b）顺铣切削示意c）腰形槽逆铣走刀路径

d）逆铣切削示意图6

顺铣、逆铣走刀判断

2）内轮廓加工圆弧半径小于刀具半径2倍时的圆弧走刀降速处理方法。在试验加工过程中铣刀每次加工圆弧1和圆弧2时刀具易产生振动大，圆弧尺寸让刀严重，夹角41°±20′难以加工合格，内轮廓圆弧走刀如图7所示。其原因为：所加工的圆弧半径只比刀具半径大0.6mm，一般钛合金正常加工时径向切削宽度ae推荐为刀具直径的15%，而此处圆弧加工时径向切削宽度ae已经达到刀具直径的87%，会产生严重让刀和振动，甚至导致刀具断裂。

a）腰形槽R

4.6mm圆弧示意b）铣刀与R4.6mm圆弧接触示意图7

内轮廓圆弧走刀

针对这种刀具几乎全直径圆弧接触加工情况，在其他切削参数无法优化的情况下，可以通过降低进给速度来优化切削状态，其参考公式为Fy=（R－Rc）Fz/R式中，Fy是圆弧进给速度（mm/min）；R是加工圆弧半径（mm）；Rc是加工刀具半径（mm）；Fy是直线进给速度（mm/min）。

优化后的圆弧进给速度：Fy=（4.6－4）×200/4.6=26.09（mm/min）。

此方法主要适用于内轮廓加工时圆弧半径小于刀具半径2倍的情况，其具体加工程序见上述O2000号加工程序。

3）切削温度的控制。钛合金材料具有高强度、低热传导率的特性，在加工中热量不易随切屑排出或被工件吸收，而是积聚在切削刃上，其干切时可产生高达1200℃的高热量。如果冷却效果不好将加剧刀具磨损，缩短铣刀寿命，造成断刀现象发生。钛合金深窄槽加工中最好是采用高压内冷和外部冷却相结合的冷却方式，其冷却效果最好。在本次加工过程中，选用的是不带内冷